哈佛大學開發硬幣大小的微型機器人,可完成人類外科顯微手術

2021-01-10 澎湃新聞

上世紀80年代,「Delta機器人之父」 Reymond Clavel教授為一家巧克力工廠開發出Delta的第一個版本,該機器人擁有三個獨立控制的輕量手臂,引導一個平臺在三個方向上快速準確地移動,從而高效包裝巧克力果糖。此後的近30年時間裡,Delta機器人憑藉精度高、速度快,被廣泛用於取放組裝、機械加工、焊接、食品包裝等工業流程中。

目前,Delta機器人已經步入了「毫米級」時代。據哈佛大學官網消息,哈佛大學Wyss生物創新工程研究所和John A. Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的Robert Wood團隊最近已開發出一款新的設計,被稱為「milliDelta」機器人。相關成果發表在國際頂級學術期刊《科學》(Science)於2016年底正式創刊的《科學機器人學》(Science Robotics)。

值得一提的是,Delta機器人問世以來,如何設計出更小尺寸的機器人一直是工程師們的挑戰,業界一度認為將其尺寸縮小到毫米級是一項不可能完成的任務。哈佛大學官網稱,Robert Wood團隊開發的milliDelta正是克服了小型化挑戰。

milliDelta 機器人誕生的靈感來源於立體書和摺紙。受此啟發,Robert Wood團隊在2011年開發了一種微製造法,可以將平板複合材料組裝成機器人。彈出式微電子機械系統(MEMS)製造目前已經被用於構建動態釐米級機器,飛行機器人RoboBee即用了該原理。

在Robert Woo團隊的最新這項研究中,他們用微製造法開發了尺寸僅為15毫米×15毫米×20毫米的milliDelta機器人。這也就意味著,milliDelta機器人不過如一枚硬幣般大小,可以直接被放進零錢包裡。

研究團隊通過整合精密加工技術和高性能複合材料,使milliDelta集成了彎曲接頭和彎曲制動器,從而快速、有力地在微米精度下進行操作。這些特點幫助milliDelta可以勝任製造業和醫藥行業中一系列需要精密操控的任務。

Wyss研究所核心成員Wood表示,「縮放物理學告訴我們,縮小Delta機器人的尺寸可以提高它們的速度和加速度,彈出式MEMS製造法能夠使用任何材料或複合材料,或許是解決這個問題的理想途徑。」Wood同時表示,「這種方法也使得我們能夠快速完成許多迭代,最終開發出milliDelta。」

milliDelta的設計採用具有嵌入式彎曲關節的複合材料層板,其複雜性接近於大型Delta機器人。論文的第一作者Hayley McClintock表示,「在裝配夾具的幫助下,這種層壓板可以精確地摺疊成毫米級的Delta機器人。milliDelta還利用壓電致動器,這樣和現有的Delta機器人相比,它們的移動頻率可以快15至20倍。」

據McClintock描述,「現有的 Delta 機器人只能在幾赫茲的頻率下工作,而 milliDelta 機器人的表現十分搶眼,它已經能在高達 75 赫茲的頻率下繪製圓圈。」

此外,研究團隊還展示出,milliDelta可以在一個僅7立方毫米的工作區內操作,可以施加作用力並顯示出軌跡,這些都使其成為工業取放過程中精密操控的理想選擇,以及進行例如人類視網膜顯微手術這樣的的顯微外科手術。

研究團隊還對milliDelta進行了顯微外科手術和其他精密操控的首次測試,挖掘它們作為手顫抖消除裝置的潛力。論文的共同第一作者Fatma Zeynep Temel博士說,「我們首先繪製了某個人拿著牙籤尖端的路徑,計算出這些路徑,然後將它們輸入milliDelta機器人,機器人就能夠匹配和取消它們。」

研究人員認為,專業的milliDelta機器人既可以添加到現有的機器人設備上,也可以開發為獨立的設備,例如在科學研究和臨床實驗室中操作細胞的平臺。

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